Автор Ясемин Саплакоглу
«Нейроны, которые активируются одновременно, образуют связи» — это не вся история. Новый механизм объясняет, как мозг может учиться в течение более длительных периодов времени.
Каждый наш опыт меняет наш мозг, подобно тому, как керамист переделывает глиняную плиту. Каждый поворот, каждый разговор, каждая дрожь, которую мы чувствуем, вызывают каскадные эффекты: высвобождаются химические вещества, происходят скачки напряжения, связи между клетками мозга укрепляются, и наши ментальные модели обновляются.
Мозг «невероятно пластичен, и он остается таким на протяжении всей жизни человека», — говорит Кристин Гринбергер, нейробиолог из Университета Брандейса. Эта пластичность, способность легко изменять свою форму, делает мозг очень способным к обучению — важнейший процесс, который позволяет нам запоминать сюжет романа, ориентироваться в новом городе, осваивать новый язык и избегать прикосновения к горячей плите. Однако нейробиологи до сих пор не выяснили фундаментальные правила, описывающие, как нейропластичность изменяет связи в мозге.
Недавно нейробиологи описали новую форму нейропластичности, которая, возможно, помогает мозгу выучиться в течение нескольких секунд — достаточно надолго, чтобы зафиксировать поведенческий процесс обучения на основе одного опыта. В двух недавних обзорах, опубликованных в журналах The Journal of Neuroscience и Nature Neuroscience, они описывают «синаптическую пластичность в поведенческом временном масштабе», или BTSP. Этот тип обучения в гиппокампе, центре памяти мозга, вызван электрическим изменением, которое затрагивает множество нейронов одновременно и разворачивается в течение нескольких секунд. Исследователи предполагают, что это может помочь мозгу учиться за одну попытку.
«Совершенно очевидно, что [BTSP] — это мощный механизм, который может привести к немедленному формированию памяти», — сказал Дэниел Домбек, нейробиолог из Северо-Западного университета, который не принимал участия в разработке теории. «Это то, чего долгое время не хватало в этой области».
Раскрыв феномен BTSP, нейробиологи пролили свет на то, как мозг меняется под воздействием опыта, приближая нас к пониманию того, как происходит обучение. «Нейропластичность — это… один из последних рубежей изучения мозга», — сказал Аттила Лосончи, нейробиолог из Медицинского центра Юго-Западного Техасского университета, изучающий BTSP. «Если мы это поймем, я думаю, мы сделаем важный шаг к пониманию того, как работает мозг».
Пластичный мозг
Сегодня нейропластичность воспринимается как факт, но на протяжении большей части 150-летней истории нейронауки считалось, что мозг взрослого человека статичен. «Идея о том, что мозг взрослого человека может изменяться, не получила широкого распространения до самого конца истории современной нейронауки», — говорит Мохеб Костанди, нейробиолог по образованию и автор книги «Нейропластичность», изданной MIT Press. «Считалось само собой разумеющимся, что мозг взрослого человека не может изменяться». В 1928 году Сантьяго Рамон-и-Кахаль, часто цитируемый основатель современной нейронауки, писал, что «в центрах взрослого человека нервные пути являются чем-то фиксированным, завершенным, неизменным». Эта идея сохранялась до середины XX века.
Теперь мы знаем, что мозг постоянно перестраивается, как функционально, так и структурно, на многих уровнях — от молекул, циркулирующих между нейронами, до связей, простирающихся по всему мозгу и за его пределы.
Сила нейропластичности, пожалуй, лучше всего демонстрируется на примерах из практики. Одна пациентка, родившаяся без обонятельной луковицы, могла чувствовать запахи, потому что другие части ее мозга перестроились, чтобы служить заменой. Другой пациентке удалили всю левую сторону мозга в младенчестве; после того, как ее правая сторона реорганизовалась, чтобы взять на себя прежние функции левой, сегодня она ведет полноценную жизнь. Когда инсульт или несчастный случай повреждают мозг, другие нейроны заполняют его, восстанавливая повседневные функции пациентов, такие как речь и ходьба.
Нейропластичность также способствует повседневному обучению. Считается, что этот процесс в основном является результатом синаптической пластичности, или изменений в триллионах связей между нейронами. И хотя мозг учится различными способами, одна конкретная идея доминировала более 70 лет.
В 1949 году канадский психолог Дональд Хебб сформулировал теорию обучения, известную сегодня как хеббовская пластичность. Согласно этой модели, когда нейроны активируются с интервалом в миллисекунды, связь между ними физически укрепляется, так что в будущем они с большей вероятностью будут активироваться одновременно. Со временем они образуют сеть, которая представляет собой концепцию или опыт. Другими словами, чем больше используются сети в мозге, тем сильнее они становятся — идея, которую часто суммируют как «нейроны, которые активируются одновременно, образуют связи».
Но у нейробиологов «всегда было смутное подозрение, что хеббианская пластичность не совсем верна», — сказал Джеффри Маги, нейробиолог из Медицинского колледжа Бейлора. Или, по крайней мере, это была не вся история. Для того чтобы урок запечатлелся в мозге, требовалось многократное повторение опыта — концепция, которая может объяснить, как мы узнаем новый город или язык, но не как мы учимся на основе одного, сильно заряженного опыта, такого как прикосновение к горячей плите.
Тем не менее, поиск дополнительных объяснительных механизмов не был приоритетной задачей для нейробиологов. «Это не был поиск, как в физике элементарных частиц, недостающих частиц», — сказал Лосончи. Возможно, было несколько пробелов, которые нужно было заполнить, но большинство исследователей предполагали, что хеббианская концепция потребует лишь небольших корректировок. Мало кто думал, что более полное понимание нейропластичности может включать в себя новый механизм.
Могучие деревья
В 2014 году, когда Мэги прикрепил электроды к грызунам для регистрации их нейронной активности, он не ставил перед собой цель бросить вызов хеббианской пластичности. Мэги, работавший тогда в исследовательском кампусе Джанелия Института медицинских исследований Говарда Хьюза, и его студенты Гринбергер и Кэти Биттнер изучали поведение отростков нейронов, называемых дендритами, у живого животного.
Эти ветви получают молекулярные сигналы на одном конце нейрона и заставляют клетку быстро генерировать электрический заряд, который распространяется по телу клетки, известный как потенциал действия. Этот процесс заканчивается тем, что нейрон высвобождает свою собственную порцию молекулярных сигналов, которые прикрепляются к дендритам следующего нейрона в сети, продолжая процесс.
В последние десятилетия нейробиологи пришли к «медленному осознанию того, что дендритная активность чрезвычайно важна для пластичности и для нейронных вычислений в целом», — сказал Антуан Мадар, научный сотрудник Чикагского университета, возглавлявший обзор симпозиума Общества нейронаук по BTSP, опубликованного в 2025 году в журнале The Journal of Neuroscience.
По его словам, в дендритах происходит целый «зоопарк» различных событий. Они могут генерировать собственные локальные или глобальные электрические импульсы. Они могут охватывать большую или меньшую область и могут возникать в течение более длительных или коротких периодов времени. Нейробиологи обнаружили, что эти события в дендритах позволяют даже отдельным нейронам выполнять сложные вычисления — это означает, что именно дендриты являются причиной того, почему один нейрон может обладать той же вычислительной мощностью, что и глубокая искусственная нейронная сеть.
Тем не менее, о поведении дендритов многое оставалось неизвестным. Нейробиологи в основном изучали их на срезах мозга, где нейроны живы и могут быть активированы, но не прикреплены к живому животному. «Мы пытались перенести это на реальное поведение животного или на реальное поведение мозга», — сказала Мэги.
В 2014 году они начали фокусироваться на гиппокампе, особенно пластичной области мозга, где мы формируем воспоминания об опыте. Там же находятся нейроны места, которые активируются, когда животное перемещается в окружающей среде. Каждый из этих нейронов учится активироваться в определенных местах; позже, если грызун снова попадает в это место, нейрон активируется, вспоминая соответствующую информацию, хранящуюся в сети.
Когда грызуны бегали по круговой дорожке, Маги и его команда записывали происходящее в их дендритах гиппокампа. Именно тогда они заметили нечто интересное.
Нейробиологи давно знали, что дендриты иногда могут оставаться активными, с немного более высоким зарядом, чем в состоянии покоя, в течение длительных периодов времени без срабатывания — создавая так называемый плато-потенциал. Поскольку плато-потенциал увеличивает вероятность срабатывания нейрона, эта активность считалась важной для нейропластичности. Но, изучая данные грызунов, Биттнер увидел, что клетки места, дендриты которых создали только один плато-потенциал, начали срабатывать.
Другими словами, один всплеск активности в дендрите настроил эту клетку на срабатывание в этом месте. Ранее считалось, что кодирование нейрона места требует множества потенциалов действия посредством хеббовского обучения, что предполагает многократное исследование животным одного и того же места.
«Мы подумали: „Ух ты, что здесь происходит?“» — сказала Мэги. Когда они экспериментально вызвали эти плато, клетки активировались в этом месте в 99,5% случаев после одного дендритного плато.
Исследователи были в восторге. «Мы бегали туда-сюда между кабинетами, размахивая бумагами — „Посмотрите на этот результат“», — сказал Аарон Милштейн, нейробиолог из Университета Рутгерса, работавший в то время в лаборатории Мэги. Оказалось, что дендриты не просто пассивно подталкивали нейрон к активации — они сами вызывали изменения, укрепляя синапс одним быстрым движением.
Мэги и его команда опубликовали свои результаты в 2015 году. Тогда они считали, что наблюдали какой-то странный подтип хеббианской пластичности. Но когда они внимательнее изучили записи активности мозга живых животных, а также срезы мозга, они обнаружили самое большое различие между активностью дендритов и хеббианской пластичностью: время.
В большинстве исследований хеббианской пластичности нейроны могут усиливать или ослаблять свои связи, если активируются с интервалом в миллисекунды. Платопотенциалы дендритов, напротив, сохраняются от десятков до сотен миллисекунд (иногда приближаясь к одной секунде), и благодаря BTSP они могут усиливать синапсы, активные за шесть-восемь секунд до или после события плато.
«Стало совершенно очевидно, что это совсем не стандартный вид хеббианской пластичности», — сказал Мэги. «Это, конечно, сделало его еще более интересным и немного пугающим, потому что тогда нам предстояло столкнуться с догмами, существовавшими почти 100 лет».
Это также затронуло еще один важный вопрос, который хеббианская пластичность оставляла открытым: как наши клетки могут воспроизводить относительно медленное человеческое поведение.
«Если вы представите себе даже простейшее поведенческое обучение — например, обучение остановке на красный свет или даже исследованию и определению основных частей конкретной комнаты — вам потребуется как минимум несколько секунд», — сказал Ананта Джайн, нейрофизиолог из Центра высокоэффективной нейронауки и трансляционных приложений в Индии. BTSP объясняет, как мозг может кодировать поведение в одном всплеске мозговой активности, который разворачивается в течение нескольких секунд.
Поскольку этот новый механизм казался более релевантным для поведения, чем хеббианское обучение, Мэги назвал его «синаптической пластичностью временного масштаба поведения» в статье 2017 года в журнале Science. «Я не очень хорошо умею давать названия», — признался он. Затем он ждал ответа от коллег-нейроученых.
Однократное обучение
Первоначально BTSP встретил сопротивление в этой области. На то были веские причины, сказал Мэги, поскольку это бросало вызов догме нейропластичности, которая доминировала десятилетиями. Но за последние несколько лет другие исследователи начали изучать это самостоятельно.
Это «очень убедительная модель однократного обучения», — сказал Лосончи, который работал в лаборатории Мэги до открытия и сейчас изучает BTSP в его лаборатории. В отличие от механизмов, позволяющих животному медленно осваивать новый навык, BTSP может помочь ему научиться — после всего лишь одного исследования клетки — тому, что еда находится в северо-западном углу или что источник удара находится к югу от него. «Иногда вам нужно запомнить события, которые у вас есть только один шанс запомнить, [например], где находится хищник», — сказал Лосончи. «В противном случае вас исключат из генетического пула».
Хотя это интересное объяснение, точный механизм остается неясным. «Остается еще так много вопросов без ответов, по крайней мере, на молекулярном уровне», — сказал Джайн. Однако нейробиологи начинают получать некоторые подсказки.
Предварительные результаты исследований показывают, что определённые переживания приводят к тому, что синапсы — промежутки между нейронами, где отходят дендриты, — помечаются неуловимыми биохимическими сигнатурами, называемыми следами пригодности. Эти метки сохраняются в течение нескольких секунд и указывают на то, что эти нейроны недавно были активны и, следовательно, имели отношение к конкретному переживанию. Затем в следующем нейроне потенциал плато дендрита вызывает широкомасштабное изменение напряжения, которое распространяется по всему дендриту. Это плато запускает усиление всех синапсов со следом пригодности.
Некоторые исследования начинают более детально изучать молекулярный процесс. В 2024 году Джайн и его команда сообщили, что дендритные плато могут вызывать каскад биохимических сигналов, накапливающихся в течение нескольких секунд, а затем активировать один из важнейших белков для обучения, известный как CaMKII. Этот белок напрямую влияет на силу синапсов, физически увеличивая площадь поверхности и количество рецепторов на дендритах, что позволяет большему количеству нейромедиаторов связываться там при следующем срабатывании клетки.
BTSP также может помочь решить давнюю загадку в нейробиологии. Поскольку он укрепляет только релевантные активные нейроны, а не любые активные нейроны, BTSP может помочь решить «проблему распределения влияния» — как мозг определяет, какие нейроны должны кодировать тот или иной опыт. Сейчас Мэги и другие изучают роль, которую BTSP может играть не только в обучении, но и в консолидации воспоминаний.
Однако Домбек осторожен в отношении чрезмерной оценки значимости BTSP. Он наблюдался в ограниченных условиях: только в гиппокампе, когда животное учится определять местоположение (хотя исследователи обнаружили некоторые доказательства существования BTSP в неокортексе, где происходят процессы высшего порядка в мозге). В своей лаборатории Домбек обнаружил, что BTSP происходит в некоторых клетках гиппокампа, но не во всех.
Джайн даже не убежден, что BTSP следует классифицировать как нехеббовский тип обучения. Хеббианское обучение часто определяется расплывчато, и сам Хебб не уточнял временные рамки, в которых оно работает. «Дональд никогда не уточнял, что это должно происходить в миллисекундах», — говорил он, лишь указывал, что нейроны должны многократно срабатывать одновременно. Только позже нейробиологи механистически уточнили его, включив в него миллисекундные временные масштабы, сказал Джайн.
Большинство нейробиологов согласны с тем, что BTSP не заменяет хеббианское обучение, а работает параллельно с ним. «Геббианская пластичность, вероятно, играет огромную роль в развитии, в первоначальной структуре» мозга, предположил Гринбергер, в то время как BTSP может быть более важна для формирования эпизодической памяти у взрослых.
О BTSP до сих пор многое неизвестно, особенно о механизме, который, по словам Мадара, «довольно умозрительный». Однако он также признал, что до того, как стать архетипической моделью обучения, «хеббианская пластичность была также гипотезой». Наше понимание того, как мозг учится посредством бесконечных изменений, само по себе бесконечно меняется.